Sujet de thèse 2009-2012

Proposition de Sujet de thèse 2014
Laboratoire dans lequel se déroulera la thèse : CNRM/GAME-CNRS/Météo-France,
UMR3589,42 Av. G. CORIOLIS, 31057 Toulouse Cedex
Titre du sujet proposé : Étude expérimentale des interactions aérosol-nuage à partir
d'observations multi-échelles
Spécialité : (cocher une seule spécialité)
 Astrophysique, Sciences de l’Espace, Planétologie
X Climat, Océan, Atmosphère, Surfaces Continentales
 Ecologie Fonctionnelle
 Hydrologie, Hydrochimie, Sol, Environnement
 Sciences de la Terre et des Planètes solides
Nom et statut (PR, DR, MCf, CR, …) du (des) responsable(s) de thèse (préciser si HDR) :
Directeur de thèse : J.-L. Brenguier (ICPC, HDR), CNRM-GAME/AERO
Autres encadrants : G. Roberts (CR), F. Burnet (ITM), CNRM-GAME/GMEI/MNPCA
Coordonnées (téléphone et e-mail) du (des) responsable(s) de thèse :
[email protected] (05 61 07 93 21)
[email protected] (05 61 07 98 71)
[email protected] (05 61 07 93 27)
Résumé du sujet de la thèse (le descriptif ne doit pas dépasser une page et demie)
Contexte scientifique général, Compétences souhaitables,…
Les nuages sont omniprésents dans l'atmosphère terrestre et impactent de manière
significative le bilan radiatif planétaire. Mais l'incertitude sur leur contribution au forçage
radiatif est très importante. La réponse des nuages au changement climatique, et son impact
sur le bilan radiatif, est ainsi la rétroaction climatique la plus incertaine (Randall et al, 2007).
D'autre part les rétroactions entre la biosphère et l’atmosphère à travers les interactions
aérosol-nuage demeurent mal quantifiées. Or le couplage entre la biosphère et l'atmosphère
peut aussi jouer un rôle important dans la régulation du changement climatique (Charlson et
al, 1987; Kulmala et al, 2004; Quinn et Bates, 2011; Carslaw et al, 2010).
Ces incertitudes sont liées aux effets des aérosols sur les propriétés microphysiques des
nuages (effets indirects) et notre compréhension est encore limitée en partie parce que l'étude
des interactions aérosol-nuage nécessite des observations simultanées des propriétés de la
couche limite atmosphérique, des nuages, et des aérosols.
L'étude des interactions entre aérosols et nuages sera le fil conducteur du projet européen FP7
BACCHUS (Impact of Biogenic versus Anthropogenic emissions on Clouds and Climate:
towards a Holistic UnderStanding, 2014-2018). L'objectif principal de BACCHUS est de
quantifier les processus clés qui lient les nuages, le climat, et leurs rétroactions, en comparant
les interactions entre aérosols et nuages dans des environnements climatiques contrastés,
telles que les régions tropicales et polaires, et en combinant des observations in-situ des
propriétés des nuages et des aérosols, notamment par drones, avec des observations
satellitaires et la modélisation numérique.
Les principales questions scientifiques sont:
- Quelles sont les concentrations et les propriétés des aérosols naturels dans ces régions
contrastées (régions polaires et tropiques) ?
- Quel est l'impact relatif des aérosols anthropiques et naturels sur les nuages en phase liquide
dans ces environnements contrastés ?
- Quelle est la contribution de l'aérosol biogénique par rapport aux autres types d'aérosols
naturels (poussières, sel marin, sulfates) sur les interactions aérosol-nuage ?
- Quels sont les principaux mécanismes de rétroaction impliquant des interactions aérosolnuage entre la biosphère de la terre et le climat ?
Dans ce cadre, plusieurs campagnes de mesures seront réalisées en région tropicale, polaire et
aux latitudes moyennes, sur différents sites marins, de forêts et d'altitude entre 2014 et 2016.
La contribution de l'équipe consiste d'une part à déployer sur certains sites sol des instruments
permettant de caractériser les aérosols, en particulier leurs propriétés hygroscopiques
(chambres CCN). D'autre part de mettre en œuvre des drones auto-pilotés pour caractériser la
distribution verticale des aérosols, des flux radiatifs, de la turbulence, et des paramètres
météorologiques. La connaissance de la structure verticale de l’atmosphère est en effet
indispensable pour interpréter les observations de surface et faire des hypothèses sur le
mélange dans la basse troposphère et sur les interactions aérosol-nuage (Corrigan et al.,
2008). Les mesures drones seront également très importantes pour valider les mesures lidar et
de télédétection par satellites; et pour observer le transport longue distance.
L'objectif de la thèse sera de participer aux campagnes de mesure et d'exploiter les données
pour étudier les interactions aérosol-nuage. Les observations au sol de différents sites seront
analysées pour identifier les sources d'aérosols et étudier l'évolution des propriétés
hygroscopiques, afin de caractériser les processus de modification des aérosols (Sullivan et
al., 2009, Gunthe et al., 2009). Il s'agit aussi de quantifier les concentrations d'aérosols
naturels afin de déterminer l'influence des aérosols d'origine anthropique.
Les mesures par drones serviront à caractériser les ascendances sous les nuages afin de
déduire les distributions de sursaturation dans les nuages et le nombre de gouttelettes qui se
formeraient à partir des propriétés de l'aérosol (Conant et al, 2004). Cette stratégie permettra
de documenter complètement les flux d'énergie et d'aérosols dans l'atmosphère de la surface
jusqu’au sommet de la couche limite (de l’ordre du kilomètre).
Les mesures aéroportées et terrestres seront comparées afin de déterminer si les mesures au
sol sont suffisantes pour caractériser le mélange des aérosols à l’intérieur de la couche limite.
La relation entre les noyaux de condensation nuageuse (CCN) et les propriétés
microphysiques des nuages sera ensuite étudiée pour essayer de mieux comprendre comment
les aérosols modulent les propriétés microphysiques des nuages. Les interactions aérosolnuage seront ensuite abordés à partir d’observations par satellites (en collaboration avec les
partenaires) en combinant les mesures in situ de la granulométrie, d’hygroscopicité, et de
l'intensité des ascendances à la base des nuages (Conant et al, 2008; Rosenfeld et al, 2012).
Enfin, ces mesures serviront également à valider les études de fermeture top-down en
comparant les mesures CCN avec les estimation dérivées des profils verticaux restitués par
télédetection satellite.
Compétences requises :
Pour mener à bien ce travail, le(a) candidat(e) bénéficiera de la complémentarité des
domaines d'expertise des équipes encadrant cette thèse, d'une part pour ce qui concerne les
mesures sol, aéroportée et par télédétection. Pour cela il(elle) devra se familiariser avec
l’instrumentation et les protocoles d’analyse des jeux de données, aussi bien
thermodynamiques que microphysiques.